مقدمه اي آسان بر نسبيت به قلم استفان هاوكينگ
مقدمه اي آسان بر نسبيت به قلم استفان هاوكينگ
در اواخر قرن نوزدهم دانشمندان تصور مي كردند به توصيـف كامل گيتي نزديك شده اند. آنان مي پنداشتند كه فضا در همه جا با واسطه اي پيوسته به نام اتر پر شده است. پرتوهاي نور و علائم راديويي، امواجي در اتر بودند، درست همان گونه كه صوت، امواج فشار در هواست. تنها چيزي كه براي تكميل نظريه لازم بود، اندازه گيري دقيق ويژگي هاي كشساني اتر بود؛ پس از تعيين اين ويژگي ها، همه چيز در جاي خود قرار مي گرفت.
اما به زودي و به تدريج، مغايرت هايي با انديشه اتر همه جاگير پديدار گرديد. انتظار مي رفت نور در اتر با سرعت ثابتي حركت نمــــايد. مثلاً، اگر در جهت نور حركت مي كرديد، انتظار داشتيد سرعت آن كم تر به نظر برسد، و اگر در خلاف جهت نور حركت مي كرديد، انتظار داشتيد سرعت آن بيشتر به نظر آيد. اما به رغم آزمايش هاي متعدد، تلاش به منظور يافتن مدركي براي تغيير سرعت نور در اثر حركت در اتر، ناكام ماند.
دقيق ترين آزمايش ها توسط آلبرت مايكلسون و ادوارد مورلي در سال 1887 در مؤسسه كيس كليولند در اوهايو انجام گرديد. آن ها سرعت نور را در دو باريكه كه نسبت به يكديگر داراي زاويه قائمه بودند، مقايسه نمودند. آن ها چنيـــن استدلال مي كردند كه زمين با چرخش به دور محور خود و گردش به گرد خورشيد، از ميان اتر مي گذرد و سرعت نور در اين دو باريكه بايد متفاوت باشد. اما مايكلسون و مورلي اختلاف روزانه يا سالانه اي ميان دو باريكه نور نيافتند. گويي نور، در هر جهتي كه حركت كني، نسبت به تو با سرعتي ثابت حركت مي كند.
فيزيكدان ايرلندي، جرج فيتزجرالد و فيزيكدان هلندي ديويد لورنتز، نخستين كساني بودند كه گفتند اجسامي كه در ميان اتر حركت مي كنند، منقبض مي شوند و ساعت ها كُند مي گردند. اين انقباض و كندشدگي (اتساع) چنان است كه هركسي به هر نحو كه نسبت به اتر ، كه فيتزجرالد و لورنتز آن را ماده اي واقعي مي پنداشتند، حركت كند، سرعت ثابتي را براي نور اندازه گيري خواهد نمود.
اما، اين كارمند جوان اداره ثبت اختراعات سويس در برن به نام آلبرت اينشتاين بود كه اتر را كناري نهاد و مسئله سرعت نور را يك بار براي هميشه حل كرد. او، در ژوئن 1905، يكي از سه مقاله اي را نوشت كه وي را به عنوان يكي از دانشمندان برجسته جهان معرفي كرد- و در اين راستا دو انقلاب مفهومي را آغاز نمود كه فهم ما را از زمان، فضا و واقعيت تغيير دادند.
در مقاله 1905، اينشتاين نوشت حال كه نمي توان آشكار ساخت كه آيا در اتر حركت مي كنيم يا خير، اصلاً مفهوم اتر زيادي است. در مقابل، اينشتاين از اين اصل آغاز كرد كه قوانين علم بايد به ديده همه ناظراني كه آزادانه حركت مي كنند، يكسان بنمايند. به ويژه، ناظران به هر شيوه اي كه حركت كنند، بايد همه يك سرعت را براي نور اندازه گيري نمايند.
اين، مستلزم رها كردن اين انديشه بود كه كميتي عام موسوم به زمان وجود دارد كه همه ساعت ها اندازه مي گيرند. هر كس، زمان شخصي خود را داشت. ساعت هاي دو نفر در صورتي با هم هماهنگ بودند كه آن دو نسبت به يكديگر در حال سكون باشند و نه اين كه حركت نمايند. اين نكته با چند آزمايش تأييد شد، از جمله آزمايش با ساعت بسيار دقيقي كه دور جهان گردانده شد و سپس با ساعتي كه در محل ساكن مانده بود، مقايسه گرديد. اگر مي خواستيد بيشتر زندگي كنيد، مي توانستيد به سوي شرق پرواز كنيد تا سرعت هواپيما به سرعت چرخش زمين افزوده شود. اما خوردن غذاي هواپيما همان و از ميان رفتن آن كسر بسيار كوچكي از ثانيه كه به عمرتان افزوده مي شد، همان.
اصل موضوعه اينشتاين كه قوانين طبيعت بايد به ديده تمام ناظراني كه در حركت آزاد هستند، يكسان بنمايد، مبناي نظريه نسبيت بود كه از آن رو چنيــــن ناميده مي شود كه حكايت از آن دارد كه فقط حركت نسبي مهم است. زيبايي و سادگي آن براي بسياري از دانشمندان و فيلسوفان متقاعدكننده بود. اما مخالفت هاي بسياري هم به جاي مانده بود. اينشتاين دو مطلق علم قرن نوزدهم را واژگون كرده بود: سكون مطلق كه با اتر نمايش داده مي شد و زمان مطلق يا عامي كه تمام ساعت ها اندازه گيري مي نمودند. مردم مي پرسيدند آيا اين بدان معناست كه معيار اخلاقي مطلقي وجود ندارد، كه همه چيز نسبي است؟
اين ناراحتي در دهه 1920 و 1930 ادامه يافت. هنگامي كه در سال 1921 جايزه نوبل به اينشتاين داده شد، اين امر به دليل كار مهم- اما با معيارهاي اينشتاين، جزئيِ- ديگري بود كه در سال 1905 انجام داده بود. به نسبيت، كه تصور مي رفت بسيار بحث برانگيز است، اشاره اي نشد. هنوز هم من هفته اي دو يا سه نامه دريافت مي كنم كه مي گويند اينشتاين اشتباه كرده است. با اين همه، اكنون، جامعه علمي نظريه نسبيت را به طور كامل پذيرفته است و پيش بيني هاي آن در كاربردهاي بيشمار تصديق شده اند.
يكي از نتايج مهم نسبيت، رابطه ميان جرم وانرژي است. اين اصل اينشتاين كه سرعت نور بايد به ديده همه يكسان باشد، نشان مي داد كه هيچ چيز نمي تواند از نور سريع تر حركت نمايد. آن چه روي مي دهد اين است كه با مصرف انرژي براي شتاب دادن به ذره يا سفينه، جرم شيء افزايش مي يابد و شتاب بيشتر دادن به آن را دشوارتر مي سازد. شتاب دادن به ذره تا سرعت نور ناممكن است زيرا به مقداري نامتناهي انرژي نياز دارد. هم ارزي جرم و انرژي به اختصار در معادله مشهور اينشتاين، 2mc= E نشان داده مي شود، كه شايد تنها معادله فيزيك باشد كه مردم كوچه و خيابان هم آن را مي دانند.
از جمله نتايج اين قانون آن است كه با شكافت هسته اتم ارانيوم به دو هسته با مجموعِ جرمي كه اندكي كمتر است، مقدار زيادي انرژي رها مي شود. در سال 1939، با شعله ور شدن آتش جنگ، گروهي از دانشمندان كه به نتايج اين امر پي برده بودند، اينشتاين را وادار كردند كه بر ترديدهاي صلح آميز خود غلبه نمايـد و نامه اي براي رئيس جمهور روزولت بنويسد و در آن از وي بخواهد كه ايالات متحده برنامه تحقيقات هسته اي را آغاز نمايد. اين، به پروژه منهاتان و بمب اتمي اي منتهي گرديد كه در سال 1945 بر فراز هيروشيما منفجر شد. برخي، اينتشاين را به دليل بمب اتمي سرزنش مي نمايند، زيرا او بود كه رابطه ميان جرم و انرژي را كشف كرد. اما مثل آن است كه نيوتن را به دليل كشف گرانش كه موجب سقوط هواپيـــماها مي گردد، سرزنش كنند. اينشتاين در پروژه منهاتان نقشي نداشت و انفجار او را وحشت زده كرد.
هرچند نظريه نسبيت به خوبي در چارچوبِ قوانين حاكم بر الكتريسيته و مغناطيس قرار مي گرفت، اما با قانون گرانش نيوتن سازگار نبود. اين قانون مي گفت اگر توزيع ماده را در يك منطقه از فضا تغيير دهيد، تغيير در ميدان گرانشي در هرجاي ديگري در گيتي بلافاصله احساس خواهد شد. اين نه تنها بدان معنا بود كه مي توانيد علائمي با سرعتي بيش از سرعت نور ارسال كنيد (امري كه نسبيت منع مي كرد)، بلكه نيازمند زمان مطلق يا عامي نيز بود كه نسبيت آن را به نفع زمان شخصي يا نسبيتي كنار گذاشته بود.
اينشتاين، در سال 1907 كه هنوز در اداره ثبت اختراعات برن بود، از اين دشواري آگاهي داشت، اما تا سال 1911 كه به دانشگاه آلماني پراگ آمد، تفكر جدي در باره اين مسئله را آغاز نكرده بود. او دريافت كه ميان شتاب و ميدان گرانشي رابطه نزديكي وجود دارد. كسي كه در اتاقكي بسته نشسته است، نمي تواند بگويد آيا در ميدان گرانشي زمين در حال ســـكون است، يا موشكي در فضاي آزاد به او شتاب مي دهد. (اين به دوران پيش از «پيشتازان فضا» مربوط مي شود، اينشتاين مردم را به جاي سفينه در آسانسور تصور مي كرد. اما شما نمي توانيد قبل از وقوع فاجعه در آسانسور، مسافت زيادي را براي شتاب گرفتن طي كنيد يا آزادانه سقوط نماييد).
اگر زمين تخت بود هم مي توانستيد بگوييد سيب به دليل گرانش روي سر نيوتن افتاد و هم مي توانستيد بگوييد سر نيوتن به سيب برخورد كرد زيرا او و سطح زمين به سوي بالا شتاب مي گرفتند. اما، به نظر نمي رسد كه اين هم ارزي ميان شتاب و گرانش براي زمين كروي چندان مفيد باشد؛ مردم طرف ديگر جهان مي بايست در جهت مخالف شتاب بگيرند، اما در فاصله ثابتي نسبت به ما باقي بمانند.
اينشتاين با بازگشت به زوريخ در سال 1912، با توفاني مغزي روبرو گرديد. او دريافت اگر در هندسة واقعيت انعطافي وجود داشته باشد، ممكن است هم ارزي شتاب و گرانش مفيد باشد. اگر جا-گاه -- چيزي كه اينشتاين ابداع نموده بود تا سه بُعد آشناي زمان را با بُعد چهارم يعني زمان، در هم آميزد-- خميده بود و نه آن گونه كه تصور مي شد، تخت، چه؟ تصور وي اين بود كه جرم و انرژي جا-گاه را به شيوه اي كه هنوز مي بايست آن را تعيين نمايد، خميده مي سازند. اشيائي مانند سيب و سياره تلاش مي كنند در جا-گاه در مسير مستقيم حركت نمايند، اما چنين مي نمايد كه ميدان گرانشي مسير آن ها را خميده مي سازد، زيرا جا-گاه خميده است.
اينشتاين با كمك دوست خود. مارسل گروسمان، نظريه فضاها و رويه هاي خميده را مطالعه كرد كه برنارد ريمان چونان بخشي از رياضيات انتزاعي و بدون تصور اين كه به جهان واقعي ربطي داشته باشد، پديد آورده بود. در 1913، اينشتاين و گروسمان مقاله اي نوشتند و در آن اين انديشه را مطرح ساختند كه ما نيروهاي گرانشي را چونان نِمود اين حقيقت مي دانيم كه جا-گاه خميده است. اما به دليل اشتباه اينشتاين (كه انسان بود و جايزالخطا) نتوانستند معادلاتي را بيابند كه انحناي جا-گاه را به جرم و انرژي درون آن مرتبط سازد.
اينشتاين در برلين، به دور از مسائل داخلي و عمدتاً فارغ از جنگ، به كار ادامه داد تا سرانجام در نوامبر 1915، معادلات صحيح را يافت. اينشتاين در بازديد از دانشگاه گوتينگن در تابستان 1915 در باره انديشه هاي خود با ديويد هيلبرت رياضيدان بحث كرده بود و هيلبرت، مستقل از اينشتاين و چند روز پيش از وي، همين معادلات را يافته بود. با اين همه، همان گونه كه هيلبرت اذعان نموده است، افتخار نظريه جديد از آن اينشتاين بود. انديشه وي، مرتبط ساختن گرانش با خميدگي جا-گاه بود. به لطف دولت متمدن آلمان در اين دوره بود كه اين بحث ها و مبادلات علمي حتي در دوران جنگ، مي توانست بدون دشواري ادامه داشته باشد. چه تضادي با بيست سال بعد!
نظريه جديد جا-گاه خميده را نسبيت عام ناميدند تا آن را از نظريه اوليه بدون گرانش، كه اكنون نظريه نسبيت خاص خوانده مي شد، متمايز سازند. در سال 1919 كه هيئت اعزامي انگليسي به آفريقاي غربي، در حين خورگرفت (كسوف)، جابجايي اندكي را در موضع ستارگان نزديك خورشيد رصد كردند، اين نظريه به طرزي شگفت تأييد شد. همان گونه كه اينشتاين پيشبيني نموده بود، نور اين ستارگان با عبور از كنار خورشيد، خميده مي شد. اين شاهدي است مستقيم بر آن كه فضا و زمان خميده اند، يعني بزرگترين تغييري كه از زماني كه اقليدس در حدود 300 پيش از ميلاد مباني خود را نوشت، در درك ما از عرصه اي كه در آن زندگي مي كنيم، پديد آمده است.
نظريه نسبيت عام اينشتاين، فضا و زمان را از زمينه منفعلي كه رويدادها در آن روي مي دهند به شركت كنندگان فعالي در ديناميك كيهان تبديل نمود. اين، به مشكل بزرگي منتهي شد كه در انتهاي قرن بيستم، هنوز در پيشاني فيزيك قرار دارد. جهان سرشار از ماده است و ماده جا-گاه را چنان خميده مي سازد كه اجسام به سوي يكديگر سقوط مي كنند. اينشتاين دريافت كه معادلات وي براي توصيف جهاني كه در طول زمان تغيير نمي كند، جوابي ندارند. به جاي رها كردن جهان ايستا و جاويد، كه در آن زمان وي و اغلب مردم ديگر بدان باور داشتنـــد، معادلات را با افزودن جمله اي به نام ثابت كيهاني تغيير داد كه فضا را در جهت ديگر چنـــــان خميده مي ساخت كه اجسام از هم دور شوند. اثر رانشي ثابت كيهاني، اثر كششي ماده را خنثي مي نمود و جهاني را ممكن مي ساخت كه تا ابد به جاي خود باقي است.
معلوم شد كه اين يكي از بزرگترين فرصت هاي از دست رفته فيزيك نظري بوده است. اگر اينشتاين به همان معادلات اصلي خود وفادار مانده بود، مي توانست پيش بيني نمايد كه جهان بايد يا در حال انقباض باشد يا در حال انبساط. تا دهه 1920، كه رصدهايي با تلسكوپ 100 اينچي مونت ويلسون انجام گرفت، امكان جهان وابسته به زمان جدي گرفته نشد. اين رصدها نشان دادند هرچه كهكشان ها از ما دورتر باشند، سريعتر دور مي شوند. به عبارت ديگر، جهان در حال انبساط است و فاصله ميان دو كهكشان با گذشت زمان به طرز يكنواخت افزايش مي يابد[1]. اينشتاين، بعدها، ثابت كيهاني را بزرگترين اشتباه عمر خود خواند.
پس از جنگ جهاني دوم به متفقين اصرار كرد براي مهار بمب اتمي، حكومتي جهاني برقرار سازند. در سال 1952 رياست جمهوري دولت جديد اسراييل به وي پيشنهاد شد، اما آن را نپذيرفت. زماني نوشته بود «سياست امري است لحظه اي در حالي كه معادله به ابديت تعلق دارد». بهترين گورنوشت و يادمان براي او، معادلات نسبيت عام است.
جهان در طول 100 سال گذشته بسيار بيش از هر قرن ديگري در طول تاريخ تغيير كرده است. دليل اين امر نه سياسي است و نه اقتصادي، بلكه فناورانه است- فناوري هايي كه مستقيماً از پيشرفت هاي علوم پايه سرچشمه گرفته اند. بديهي است كه براي اين پيشرفت ها، نماينده اي بهتر از اينشتاين، مرد قرن مجله تايم، وجود ندارد.
پروفسور هاوكينگ، نويسنده تاريخ مختصر زمان، صاحب كرسي رياضيات دانشگاه كمبريج، كه زماني به نيوتن تعلق داشت.
به نقل از سي پي اچ
